PV-Anlagen können bei einem Stromausfall ein komplettes Gebäude mit Strom versorgen. Erfahrungen von TechStage-Lesern zeigen, wie diese Anlagen funktionieren und was bei der Inbetriebnahme alles passieren kann.
Steigende Energiepreisen verstärken Überlegungen über eine autarke Energieversorgung. Bei Google Trends sind etwa die Themen Photovoltaik-/Solaranlagen und Stromausfall sehr populär. Auch bei TechStage steigen die Zugriffszahlen von Artikeln mit entsprechenden Inhalten: Zu den meistgelesenen Beiträgen der letzten Monate zählen etwa Berichte über Solar-Powerstations und Stromspeicher für Photovoltaikanlagen.
Doch nicht jede PV-Anlage ist in der Lage, einzelne Verbraucher über eine Notstromsteckdose oder das ganze Haus (Ersatzstrom) autark mit Strom zu versorgen. Totaleinspeiser, also PV-Anlagen ohne Stromspeicher, die die komplette Energie ins öffentliche Stromnetz leiten, werden bei einem Stromausfall automatisch abgeschaltet.
Inzwischen steigt aber der Absatz von Photovoltaikanlagen mit Stromspeicher (Ratgeber) seit Jahren signifikant. Während 2019 nur etwa 37 Prozent der neu installierten Anlagen mit einem Batteriespeicher kombiniert wurden, stieg dieser Anteil im letzten Jahr bereits auf 56 Prozent. Allein im Jahr 2021 wurden deutschlandweit über 130.000 Stromspeicher zusammen mit einer PV-Anlage neu installiert oder nachgerüstet – 2019 waren es nur 41.000. Neben einer höheren Eigenverbrauchsquote und den daraus resultierenden niedrigeren Kosten, wünschen viele einen Stromspeicher, der auch eine Notstromsteckdose bietet oder sogar mit einer Ersatzstromfunktion aufwarten kann.
Wer bei einem Stromausfall sämtliche Verbraucher im Haus mit Strom versorgen möchte, muss neben Wechselrichter (WR) und Stromspeicher auch Schaltkreise implementieren, die bei einem Stromausfall, das komplette Hausnetz vom öffentlichen Stromnetz trennen.
Bei den meisten Anlagen funktioniert der Wechsel von Netz- auf Inselbetrieb allerdings nicht nahtlos. So kommt es dabei oft zu einem Stromausfall von wenigen Sekunden bis zu 1,5 Minuten, bevor die autarke Stromversorgung betriebsbereit ist. Es gibt aber auch Ausnahmen: Ein Leser hat eine Niedervolt-Speicherlösung mit 48 Volt in Verbindung mit Wechselrichtern von Victron Energy im Einsatz, die ohne Unterbrechung der Stromversorgung, den Wechsel von Netz- auf Inselbetrieb realisiert. Eine USV zur Absicherung von wichtigen Verbrauchern wie PC oder anderen Geräten ist bei dieser Lösung also nicht mehr nötig.
Auf unseren letzten Beitrag zum Thema Autark bei Blackout: Photovoltaik-Stromspeicher mit Notstromfunktion haben wir viele Leserzuschriften erhalten. Einige davon waren so interessant, dass wir – natürlich in Absprache mit der jeweiligen Person – darüber an dieser Stelle berichten.
Im ersten Beispiel geht es um eine PV-Anlage mit 12 kWp mit Notstrom- und Inselfunktion und 30 kWh Akkuspeicher von Victron Energy. Damit versorgt der TechStage-Leser seinen gesamten Haushalt, inklusive Wärmepumpe und Elektroauto von Mai bis Oktober vollständig autark. In den restlichen Monaten deckt sie immerhin noch bis zu 80 Prozent den kompletten Primärenergieverbrauch. Die Anlage läuft im Standardbetrieb netzsynchron, um Überschüsse ins Netz zu liefern oder bei zu wenig PV-Produktion Energie aus dem Netz zu beziehen. Die Anlage leistet 3x 5 kVA Drehstrom und die Umschaltung zwischen Netz- und Inselbetrieb ist praktisch unterbrechungsfrei – lediglich ein kurzes Aufflackern der Beleuchtung signalisiert den Wechsel.
Ein Inselbetrieb ist bei diesem System auch dauerhaft ohne jegliche Einschränkungen möglich. Im Inselbetrieb werden sogar Ladestation fürs E-Auto und Wärmepumpe versorgt. Auch den hohen Anlaufstrom der Wärmepumpe kann die Inverteranlage im Inselbetrieb problemlos bereitstellen. Im Falle des Netzbezuges (im Winter) könnte sie die Akkus auch zeitgesteuert aus dem Netz laden, um gegebenenfalls flexible Stromtarife nutzen zu können.
Im Falle eines längeren Stromausfalles ohne ausreichende PV-Nachladung besteht die Möglichkeit mittels eines einphasigen Stromgenerators den Akku zu laden und damit eine komplette Drehstrom-Notstromversorgung praktisch unbegrenzt zu verlängern. Das System von Victron Energy kann so einen Generator auch automatisch steuern.
Die Anlage versorgt den Energiebedarf eines 200 Jahre alten Fachwerkhauses, das unser Leser seit 2007 systematisch saniert hat. Anfänglich mit Pelletheizung, seit 2017 mit Wärmepumpe mittels Tiefensonde. Auch für die derzeit häufige Diskussion um die Nutzung von Wärmepumpen im Altbau hat er eine Lösung gefunden. Einerseits hat er durch Dämmmaßnahmen den Energiebedarf des Gebäudes reduziert. Andererseits hat er das Heizsystem von Grund auf neu gebaut. Alle Leitungen sind gegen Schwitzwasser isoliert. Als Heizflächen kommen ausschließlich Gebläsekonvektoren zum Einsatz. Diese bringen für ihn zwei entscheidende Vorteile mit sich. Im Winter reichen selbst bei Außentemperaturen um -10 Grad lediglich 40 Grad Vorlauftemperatur, was zur Effizienz der Wärmepumpe beiträgt. Der zweite Vorteil: Im Sommer klimatisiert er damit das komplette Gebäude vollständig. Durch aktive Kühlung mit der Wärmepumpe bringt man die erforderliche Wärmemenge weg und die Gebläsekonvektoren fangen auch das anfallende Kondensat auf.
Der Strom der PV-Module wird per MPPT-Laderegler auf das Niveau der Batteriespannung von circa 52 Volt gebracht. Die Victron-Inverter wandeln den Strom, der gerade benötigt wird für Eigenverbrauch respektive Einspeisung, in Wechselstrom um, der Rest landet im Akku und wird dann entnommen und umgewandelt, wenn er gebraucht wird. Es handelt sich also um eine DC-PV-Lösung, die aus Sicht unseres Lesers in Verbindung mit einem Speicher gegenüber einer AC-PV-Anlage den Vorteil bietet, dass eine Batterieladung unabhängig vom Wechselstrom etwa bei einem Netzausfall erfolgt. Außerdem ist die Effizienz höher als bei AC-PV-Anlagen, da der Strom nur einmal umgerichtet wird. AC-PV Anlagen hingegen müssen Strom erst gleichrichten, um ihn zu speichern und beim Entladen des Speichers wiederum in Wechselstrom wandeln.
Als Wechselrichter verwendet unser Leser den Multiplus II von Victron Energy. Diesen gibt es in 3, 5, 8 oder 10 kW. Es lassen sich bis zu sechs Geräte auf einer Phase kaskadieren oder im Split- respektive 3-Phasenbetrieb verwenden. Somit können Systeme bis 90 kW Drehstrom realisiert werden. Unser Leser setzt insgesamt drei Multiplus II 48/5000/70 im 3-Phasenbetrieb ein.
Die Geräte gibt es für Batteriespannungen von 48V, 24V und 12 V. Die 12V- und 24V-Geräte werden oft im Bereich Caravan und Yachten eingesetzt, während sich die 48V-Versionen besser fürs Eigenheim eignen.
Unser Leser verfügt über eine elektrotechnische Ausbildung und war jahrelang im Kraftwerksbau beschäftigt. Daher hat er seine Anlage selbst geplant und gebaut, natürlich unter Beachtung aller gültigen Vorschriften. Der Hauptantrieb der Investition war für ihn dabei weniger die Angst vor einem Blackout respektive Versorgungsunsicherheiten, sondern das Interesse an einer gewissen Autarkie, Unabhängigkeit, Neugier und vor allem seiner Technikaffinität.
Normalerweise müssen größere Verbraucher wie Ladestation, E-Herd oder Wärmepumpe beim Netzbetreiber angemeldet werden. Auch Speicher, die mit dem Netz verbunden sind, auch wenn sie keine Energie ins Netz liefern, müssen angemeldet werden. Selbst Notstromaggregate, die bei Rückschaltung synchronisieren, müssen angemeldet werden. Das ist aber kein Problem.
Die Geräte der Multiplus-II-Serie besitzen einen integrierten Netz- und Anlagenschutz (NA-Schutz) und können problemlos beim Netzbetreiber angemeldet werden. Für den Betrieb mit dem Energiespeichersystem-Assistenten (ESS) wird ein Monitoring-Gerät der GX-Serie benötigt. Dies kann ein Cerbo-, Venus-, Color-GX o.ä. sein. Auch gibt es den Multiplus mit integrierter GX-Einheit.
Die Geräte der Easy-Solar-II-Serie bieten alles in einem Gerät, sind aber derzeit nur schwer lieferbar und auch nur begrenzt erweiterungsfähig.
Das ESS (Energiespeichersystem) bietet unter anderen folgende Funktionen:
Optimal wäre die Einbindung der PV DC-seitig.
Einzelne Funktionen zur Steuerung der Entladetiefe finden sich im Kapitel 6 des ESS Handbuchs.
Die niederländische Firma Victron Energy blickt auf eine Jahrzehnte lange Erfahrung von Inselanlagen im Bereich Marine, Mobilität, Hütten und Expeditionen zurück. Auch andere PV-Anlagen-Besitzer sind auf die Firma aufmerksam geworden. Über seine Erfahrung mit den Lösungen berichtet etwa Dipl.-Ing. Michael Schallwig in einem Youtube-Video.
Dass ein lokaler Anbieter für den Support einer Photovoltaik-Anlage von Vorteil ist, weiß ein anderer TechStage-Leser zu berichten. Basis für die Ersatzstromversorgung seiner Anlage ist die Backup Box Plus von Alpha ESS. Sie trennt und verteilt den einphasigen Strom aus PV und/oder Speicher zunächst gleichmäßig auf alle drei Phasen. Welche Phase wie lange aufrechterhalten werden soll, ist programmierbar, sodass man selbst entscheidet, wo als letztes „die Lichter ausgehen“. Die Box verträgt 3 x 63 A Strom, wobei das Ausgangsseitig natürlich durch Speicher und Wechselrichter entsprechend begrenzt ist. Sein Bericht zur Planung und Inbetriebnahme der Anlage zeigt beispielhaft, mit welchen Hürden und Probleme man in der Praxis rechnen muss.
„Im Zuge einer sowieso anstehenden Dachsanierung habe ich mich entschlossen, ein Stockwerk aufzusetzen und darauf dann auch gleich eine PV-Anlage zu installieren. Natürlich mit Speicher. Gleich vorab: Wer sich das antun will, sollte auf jeden Fall eine ordentliche Menge Zeit neben dem, was er sonst so tut, um seinen Lebensunterhalt zu verdienen, einplanen. Speziell wenn Fördermittel für die Speicher beantragt werden, das ist unglaublich viel Bürokratie.
Also mal angefangen, die mögliche nutzbare Dachfläche zu ermitteln, die Ausrichtung und die Neigung. Achtung, klingt banal, ist aber immer ein zweimaliges Nachdenken wert: wo Solarpanels, da keine Dachfenster! Also immer schön in die Zukunft denken, wie ich den Raum unter dem Dach nutze und ob ich da Tageslicht haben will oder nicht. Auch Kamine und eventuelle Trittstufen für den Schornsteinfeger oder den Fall, dass man mal aufs Dach muss, nicht vergessen.
Es gibt eine Menge Dinge zu beachten: Zum Beispiel, dass Anlagen bis zu 10 kWp anderen Bedingungen unterliegen als darüber, der Batteriespeicher nur bis zu einer bestimmten Obergrenze im Verhältnis zur Kapazität der Panels berücksichtigt/gefördert wird, die Anlage bei Bedarf und/oder dauerhaft in der Leistung auf 50/70% gedrosselt werden kann/muss, et cetera.
Auch die Lage des Zählerkastens, wie weit dieser vom geplanten Standort der Wechselrichter/Batterien entfernt ist, ist wichtig -> lange Kabel bedeuten mehr Verluste und gegebenenfalls größere Querschnitte, was wiederum mehr Kosten bedeutet. Die Verlegungswege sollte man ebenfalls gut planen. Verlaufen dort schon Leitungen, wenn ja, welche? Wie sehr kann ich das Material an der geplanten Stelle schwächen? Bei bestehenden Gebäuden ist das stets eine Blackbox, manchmal leider auch die Büchse der Pandora.
Ist im/beim Zählerkasten noch genug Platz für die Zusatzgeräte? Ein 2-Wege-Zähler muss beantragt werden, die Backup Box benötigt ebenfalls Platz. Oft muss der Zählerplatz aufgrund neuer Vorschriften aufgerüstet werden, genauso oft ist dafür gar nicht genug Platz da!
Dann Angebote einholen und sich schlaumachen. Ich habe teilweise im Internet über ein Vergleichsportal angefragt und gleichzeitig einen lokalen Anbieter. Übers Internet habe ich zwei Angebote erhalten, einer hat einen Außendienstler vor Ort geschickt, der lokale Anbieter ebenfalls. Die Angebote sind unter Umständen für den Laien schwer vergleichbar, die Materie ist komplex, die einen schwören auf 3-phasige Wechselrichter, die anderen halten das für unnötig usw. Selbst die Fachleute untereinander sind sich nicht immer einig.
Ich habe mich letztlich für den lokalen Anbieter entschlossen, auch wenn ich dadurch circa 1000 - 1500 Euro mehr bezahlt habe. Im Nachhinein betrachtet, bin ich froh, diese Entscheidung getroffen zu haben. Ich will mir gar nicht vorstellen, wie das gewesen wäre, einen Anbieter zu haben, der 800 km entfernt beheimatet ist.
Stellt Euch vor, es ist Winter, abends 19 Uhr. Eure nagelneue PV-Anlage ist soeben endgültig fertiggestellt worden, die Backup Box wurde installiert, der Handwerker verabschiedet sich. Eine halbe Stunde später macht es „klack“ und ihr sitzt im Dunkeln. Euer Lieferant hat längst Feierabend und ihr erreicht niemanden. Am nächsten Tag sind die Handwerker wieder im 800 km entfernten Heimatort oder sonst wo in Deutschland unterwegs.
Das ist mir genauso passiert, nur dass ich den lokalen Anbieter vor Ort gewählt hatte, der dann noch einmal zurückkam und eine Übergangslösung gefunden hat.
Was war passiert? Verkäufer und Hersteller waren überzeugt, die verbaute Backup Box sei ausreichend. Trotz eingehender Bestandsaufnahme und Berechnung der nötigen Kapazität wurde der Strombedarf unterschätzt. Die ursprünglich geplante und verbaute Backup Box verarbeitet nur maximal 20 A pro Phase. Ein Durchlauferhitzer jedoch zieht bei Volllast allein schon locker 18 A. Wenn auf dieser Phase dann noch eine Herdplatte, ein Heizlüfter oder einige andere Verbraucher sitzen, steigt die Backup Box aus und unterbricht die Stromversorgung. Ferner wurden vor dem Zähler nur 25 A pro Phase abgesichert. Zu wenig für meine Spitzenlast. Letztlich musste das leistungsfähigere Modell Backup Box Plus von Alpha ESS her und die Absicherung vor dem Zähler auf 36 A erhöht werden. Aufgrund der derzeit verbreiteten Lieferengpässe mussten wir für ein halbes Jahr mit erhöhter Absicherung und Umgehung der kleinen Box fahren, um das ständige Aussteigen der Versorgung zu umgehen.
Meine Anlage hat nun 10,8 kWp und ist in West- und Ost-Ausrichtung (je 14 Panels). Das ist nicht so schlecht wie man vielleicht denkt, denn es hat den Vorteil, dass der Ertrag etwas besser über den Tag verteilt wird. Eine reine Südausrichtung bringt morgens und abends weniger, mittags viel mehr, was aber im Sommer wegen Drosselung der Anlage und mangels ausreichender Speicherkapazität hauptsächlich dem Netzbetreiber zugutekommt. Der bekommt für 6 ct Strom, den ich nicht verwenden kann und für 35 ct teuer wieder beziehen muss.
Die verbauten Panels stammen von Sharp NU-JC360B und bieten jeweils 360 Wp. Es wurden zwei Wechselrichter verbaut, einmal Alpha ESS Smile5 sowie Kostal Piko MP Plus 3.6-2.
Der Alpha hat eine Nennleistung von 4600 W und ist fähig bis zu 12 Akkumodule von je 2,9 kWh zu managen. Es gibt ein Echtzeitmonitoring, über das auch kumulierte Daten erhoben werden und über welches man etwa die Entladegrenze für den Speicher selbst einstellen kann.
Er wird als USV-fähig beworben, aber in Wahrheit gibt es meines Wissens derzeit am Markt keine Anlage, die eine echte USV etwa zur Absicherung von Computern ersetzt. Das hängt damit zusammen, dass die echte USV ständig puffert und es bei Stromausfall daher keine Unterbrechung gibt, während die PV-Anlagen mit Speicher stets eine Umschaltzeit haben, während derer der Strom tatsächlich kurz weg ist. Ich habe das leider erst später erfahren, da eine meiner Kaufmotivationen genau dieser Punkt war.
Zur IT-Absicherung komme ich also nicht drumherum, mir pro Rechner eine echte USV zusätzlich zu installieren. Die positive Seite ist die, dass ich im Falle eines Stromausfalles (bei vorhandener Akkukapazität natürlich nur) eine halbe Sekunde im Dunkeln sitze und dann alles wieder normal funktioniert. So kann ich reagieren und große Verbraucher (Herd, Backofen, Warmwasser) gegebenenfalls ausschalten und mich auf die notwendigsten Funktionen beschränken. Für Internet, Telefon, Licht, Handys und Powerbanks laden et cetera reicht eine halbe Akkuladung von gut 5 kWh schon eine ganze Weile.
Der Kostal Inverter hat eine maximale PV-Leistung von 5400 wp und eine nominale DC-Leistung von 3770 W. Beide zusammen füttern zwei Akkumodule mit zusammen 11,4 kWh Nennkapazität (nutzbar 10,9 kWh). Die Dimensionierung der Speicher ist stets ein Gratwanderung: In Deutschland wird der Benutzer im Winter auch eine kleinere Batterie im Tagesverlauf und manchmal über mehrere Wochen nicht vollkriegen, im Sommer hingegen wird auch eine Große in kurzer Zeit gefüllt und darüber hinaus noch kräftig eingespeist. Im Hinblick auf mögliche Stromausfälle und meinen persönlichen Bedarf an Eigenstrom über Nacht hat sich für mich die Entscheidung, die Kapazität ungefähr in Höhe der kWp-Leistung der Anlage zu wählen, als richtig erwiesen.
In Sachen Rentabilität würde ich mein Fazit folgendermaßen zusammenfassen: Wer sparen will und eine Amortisation in 10-15 Jahren erwartet, wird vermutlich enttäuscht werden. Wer aber der Umwelt etwas Gutes tun, etwas unabhängiger von den Energieversorgungsunternehmen werden und im Ernstfall noch eine Weile direkt Strom aus der Steckdose und auf der Heizungsanlage haben will, sollte sich diesen Luxus leisten.“
Ein weiterer Leser berichtet von seinen Erfahrungen mit dem Speicher S10 E von E3DC. Wie die größeren Modelle S10 X und S10 Pro unterstützt der S10 E einen dreiphasigen Ersatzstrombetrieb, für den der Stromspeicher allpolig vom öffentlichen Stromnetz getrennt wird.
Bei einem Stromausfall schaltet die Anlage nach etwa 10 Sekunden um auf Inselbetrieb. Gegenüber der Fronius-Lösung (siehe Autark bei Blackout: Photovoltaik-Stromspeicher mit Notstromfunktion), die dafür 90 Sekunden benötigt, geht es mit dem E3DC-Kraftwerk also deutlich schneller. Laut des Lesers hat dieser Prozess schon mehrfach gut funktioniert. Kritisch sind aus seiner Sicht zwei Punkte: Einmal, dass man die Minimumreserve in der Batterie sinnvoll einstellt (bei ihm sind es 25 Prozent) und zweitens, dass man nicht erwarten sollte, dass die Lösung wie eine USV für den PC funktioniert. Insgesamt hält er die E3DC-Lösung aber für empfehlenswert, sodass sie auch bei seinem Sohn zum Einsatz kommt.
Die Beispiele von Photovoltaikanlagen mit Ersatzstromfunktion zeigen, dass im Markt unterschiedliche Konzepte für die Notstromversorgung zum Einsatz kommen. Offenbar verzichten viele PV-Anlagenbesitzer dabei auf die günstige Variante auf Basis einer Notstromsteckdose, da diese nur einzelne Verbraucher im Notfall mit Strom versorgen kann. Stattdessen haben uns ausnahmslos Zuschriften von Lesern erreicht, die auf die Ersatzstromfunktion der PV-Anlage setzen. Dabei muss man allerdings in Kauf nehmen, dass die Ersatzstromfunktion oft nicht ganz den Erwartungen entspricht. Schließlich schalten die meisten Lösungen nicht nahtlos bei einem Stromausfall auf den Inselbetrieb um, sodass für wenige Sekunden (E3DC) bis zu 1,5 Minuten (Fronius) kein Strom fließt. Anders sieht es bei der Lösung auf Basis von Produkten von Victron Energy aus. Sie kann zwischen Netz- und Inselbetrieb in wenigen Milliskunden umschalten, sodass man, außer einem kurzen Flackern der Beleuchtung, nichts davon bemerkt: Eine USV zur Absicherung von PC und anderen Verbrauchern ist in diesem Fall also nicht nötig.
Mehr Informationen über autarke Stromversorgungsmöglichkeiten bieten unsere zahlreichen Beiträge über Solargeneratoren (Themenwelt) wie Autark in Gartenhaus oder Schrebergarten mit LTE, Photovoltaik & Co. Und wer mehr über intelligente Haussteuerungen erfahren möchte, findet entsprechende Informationen in unserem Themenschwerpunkt Smart Home. Für Einsteiger ins Thema empfehlen wir unseren Ratgeber Smart Home: Auch mit wenig Geld zum Erfolg.
Wer smart heizen will, sollte sich den Ratgeber Smarte Thermostate für Fußbodenheizungen durchlesen und die Bestenliste Top 10: Die besten smarten Heizkörperthermostate 2022 ansehen. Wie man den Standby-Verbrauch von Geräten reduzieren kann, erklärt der Beitrag WLAN-Steckdosen in der Praxis: Modelle, Einsatzzweck, Preise. Und im Beitrag Bessere Luft: Smarte Raumluft-Sensoren für CO2, Radon, Ozon, Feinstaub & Co erklären wir, wie man auf Basis smarter Sensoren das Raumklima verbessern kann.
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